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高从堦:面对外企强大竞争优势国内要加快海淡膜研发
《晓艳的科技坊》微信公众号 黄晓艳 / 时间:2018-09-18 16:09:31

  据晓艳的科技坊微信公众平台2018年9月18日讯 海水淡化是我国海洋新兴产业之一,从1997年杭州水处理技术研究开发中心在浙江嵊山岛国成功建立起我国第一套日产500吨/日工程以来,在这15年里,我国的海水淡化技术取得了迅猛发展,并日益受到国家和各级政府的高度重视,在国家“十二五”规划中,明确要鼓励海水淡化,加快海水淡化的自主化和规模化发展。
  2011年10月10日,我国首个自主设计、国内总承包的,国家发改委海水淡化产业发展重点示范项目——曹妃甸北控阿科凌5万吨/日膜法海水淡化项目竣工投产。这一新“水源”不仅吸引了水资源紧缺城市高层的目光,更引来了行业专家、投资企业、资讯媒体广泛而深入的关注。
  海水淡化市场形势如何?面临着哪些制约因素?如何能将取之不尽、用之不竭的海水转化成人类所需的淡水,并使之规模化、产业化?海水淡化在膜材料、能量回收、泵、压力容器等方面需要进行哪些创新和突破性发展?“十二五”期间将会有哪些相关政策措施出台?带着一系列的问题,大家采访了高从堦院士,请他为读者解疑释惑。


高从堦:面对外企强大竞争优势国内要加快海淡膜研发

高从堦院士在接受采访(吕学谦/摄)


  高从堦,化工分离专家。山东省即墨市人。杭州水处理技术研究开发中心研究员。
  长期从事功能膜及工程技术的研究和开发。研究成功CTA中空纤维反渗透膜和组器并产业化,效益显著;研制成功芳香族聚酰胺复合反渗透膜、荷电膜及多元合金膜等数种孔径和亲水性各异的新膜品种并推广应用;主持了国家自然科学基金关于TMC的合成和多胺在复合膜中功能两个项目的研究,促进国内功能膜用新单体和新功能开发;在国内最早开展多元合金膜和纳滤的研究和开发,开发了数种荷电膜和纳滤膜,并成功地应用于某些工业的新工艺中。完成的一项关于有机物/有机物分离膜研究的国家自然科学重点基金项目,为渗透汽化新萄京3522娱乐手机版有机物/有机物起了开创性作用。现主持和参加国家973和863项目中相关课题的研究开发工作。近几年,参加和主持多项与水资源(含海水淡化)有关的咨询活动,开展反渗透、渗透汽化、促进传递、膜与吸附、催化,膜与水资源,环境生态和可持续发展的综合研究。多次获得国家及省部级奖励,“国产反渗透装置及工程技术开发”获1992年国家科技进步奖一等奖。发表学术论文和报告近400余篇,培养博士、硕士60余名。合译专业书刊一册,合编著专业书刊四册,其中三册为主编之一。
  1995年当选为中国工程院院士。
  相关技术渐趋成熟
  黄晓艳:目前,世界上的海水淡化产业是一个怎样的状况?我国的海水淡化利用技术有什么样的进展和特色?
  高从堦:世界上海水淡化产业肯定是从最缺水的地方开始的,像中东海湾地区,但是把海水淡化作为战略考虑则是上世纪50年代美国提出来的。石油危机之后,为解决水危机,美国专设了盐水局,不断推进海水资源脱盐的技术进步,并首次提到利用海水淡化技术解决水危机,当然还有其他的技术。日本也成立了造水促进中心,推动海水淡化事业的发展。
  海水淡化就是从海水中获取淡水的技术和过程。目前,世界上海水淡化大规模应用的主要技术分为热法(蒸馏法)和膜法(反渗透)两类。热法是上个世纪40年代开始发展的,原理是把海水加热形成水蒸汽,通过将其冷却得到淡水。热法技术在应用发展中不断得到提高,上世纪50年代开发了多级闪蒸技术,70年代开发了低温多效技术。膜法是上个世纪60年代才开始发展的,膜法是把经过预处理的海水通过一种高分子材料膜,在施加高压下,滤出淡水。膜技术用在海水淡化是从上个世纪70年代开始的,此后逐渐得到了大规模应用。从技术上看,这两种技术各有优劣。热法的成本高、投资大,但工艺成熟、得到的淡化水水质好;反渗透膜法则以投资小、能耗低、成本低、建造周期短等优势逐步占据国际市场的上风。现在膜法已经占领了淡化水(包括海水淡化,苦咸水淡化)60%以上的市场,热法占40%。截至2010年年底,全球海水淡化日产量已达到6530万吨左右,解决了2亿多人的饮水问题。此外,全球直接利用海水作为工业冷却水的总量每年约7000亿立方米左右,替代了大量宝贵的淡水资源。
  我国的海水淡化研究始于1958年,当时海军和中科院化学所合作进行电渗析技术研究。1967年~1969年开展的全国海水淡化大会战,为反渗透法、电渗析法和蒸馏法等海水淡化技术的应用研究打下了基础。海水淡化的研究工作取得了一些进步,但相对发展比较慢,规模也不大。1982年,我国建成了第一座海水淡化站——西沙永兴岛海水淡化站;1997年,在浙江省嵊山建成我国第一座自主设计制造的500吨/日反渗透海水淡化项目;2000年,我国第一座1000吨/日海水淡化设备研制成功并投入使用;此后不久,海水淡化进入了大发展时期, 2000年开始走向规模化应用。目前使用膜法的总海水淡化量每天为60万吨。
  目前,大家国家除了沿海岛屿居民有少量的使用淡化水外,大量的海水淡化项目还是用在沿海城市的大工业行业。不过青岛有一个每天10万吨的海水淡化项目可能很快就能进入到市政管网成为饮用水。我个人认为海水淡化利用技术的发展,不仅要有单项技术的突破,也应考虑综合利用。未来的海水利用必将走向集成技术和过程优化。
  黄晓艳:提起海水淡化,许多人对它并不了解。请您从科研角度谈谈我国应从哪些方面促进海水利用技术的发展?
  高从堦:海水利用技术主要是以海水制取淡水、代替淡水和从海水中提取盐、钾、溴、镁、锂、铀等及其深加工。经过40余年的研究和开发,我国海水淡化利用技术虽然在相关领域取得了长足进步,但至今已建成并能真正投产的大型海水淡化装置屈指可数。因此,要想让人们了解海水淡化,首先要有一定数量的示范项目,并进行适当的宣传。尤其是城市的管理者要从整体布局来考虑,站在高起点、高层次来看待海水淡化这个问题。
  目前,我国的海水利用技术在国际上是有竞争力的,推广海水利用技术也是可行的。发达国家的海水利用已经走在了我国的前面,大家要破除海水开发利用难度大、成本高的旧观念,树立和增强海水是宝贵资源的新观念。在加快我国海水利用技术产业化发展方面,市场机制和国家支撑这两手都缺一不可。对一些重大海水利用工程技术攻关,国家应给予必要的支撑。当前,海水利用及其装备制造都是分散在各个不同产业中,亟须调整产业结构,把原来分散的海水利用小厂联合起来。
  未来,我国海水利用技术应以自主创新技术为主,消化吸取为辅;注重能力建设,使技术不断地向工艺简便、高效节能和清洁生产的方向迈进;强化产业化技术支撑体系,产业化和示范工程可采用政府投入与社会资金相结合的模式;政府管理方面,应构筑政策、法规体系和技术标准体系,鼓励企业界的介入,促进海水利用产业发展,并参与国际竞争。
  “膜”术的魔力
  黄晓艳:膜技术特性决定了它在水处理工艺中能发挥核心的、重要的作用。我国海水淡化中的膜技术产业发展的状况如何?您个人认为进口的反渗透膜和国产的反渗透膜之间的差距在什么地方?
  高从堦:膜技术是一种高新分离技术,不仅在电子、电力、生物工程、医药和食品领域得到广泛的推广和应用,在环保工业领域,特别是在水质净化、污水处理和废水回收等方面已成为不可或缺的关键技术。在水资源缺乏成为影响经济和社会发展重要制约因素的背景下,发展膜技术产业、利用膜科学从海水中取得淡水和其他资源来满足当前甚至未来社会需求具有重要的意义。
  在海水淡化处理工艺方面,膜技术正在发挥举足轻重的作用。目前,我国海水淡化中大规模使用的膜基本上还是从国外进口的,国内刚开始做,性能不如国外的好,还要经过市场考验,这需要很长时间。近几年来,大家国家的膜技术进步也是很明显的,像反渗透膜,目前国内的生产厂就有两家,一家是南方汇通控股的子企业贵阳时代沃顿,他们最早是引进了美国的一些技术,自己又研发了一些新的技术,企业目前拥有300万平米反渗透膜产能,占国内份额10%,产品主要用于纯净水制造、锅炉补给水和海水淡化领域。另一家是杭州水处理中心旗下的北斗星膜企业,该企业生产的具有完全自主常识产权的反渗透膜,在舟山六横10万吨级和嵊泗1万吨级等3个工程项目已运行半年以上,均全部正常。现在还有一家蓝星东丽膜科技(北京)有限企业,这家合资企业引进了世界上最尖端的制膜、卷膜设备,生产销售具有世界一流水准的膜产品。
  可以说,国内在低压膜技术方面没有问题,天津膜天膜生产的膜产品还已经出口到国外。但海水淡化膜对技术要求更高,我国的膜与国外反渗透膜相比,差距表现在大规模批量生产上不如国外,经过示范项目实地应用的很少,性能达不到国外产品的技术要求和性能指标。国外的反渗透膜,像这种通用的复合膜,从上个世纪80年代初就开始出现,到80年代的中后期,已经可以用于海水淡化了,那个时候脱盐率也就是在99.2%,以后逐年提高,现在的脱盐率可以达到99.7%和99.8%。而大家国产膜基本上是从上个世纪90年代开始研究,最近这十几年开始做一些国产化的大型生产,现在国内自主研制的反渗透膜脱盐率仅为99.3%左右,这是在脱盐方面的差距。
  在国外企业强大的竞争优势面前,国内企业的应对之策是要掌握核心膜技术,加快研发和创新反渗透膜。因为膜技术不仅仅只用在海水淡化方面,还可以应用于很多的行业和领域。
  我相信,国内从事膜生产的企业,如果有能力对现有的技术进行改造提升的话,达到国外产品的性能和质量标准的话,还是可以满足现有需求的。另外还有一些关键设备,像高压泵、能量回收装置、阀门等,经过十几年的努力,在质量、性能上也都在逐步地提高。随着国家的支撑,随着大家国家工业水平的不断提高、材料不断的进步,我想都会得到解决的。
  现在杭州基地有所动作,时代沃顿也有下一步的规划。未来,国内应侧重于改进和做出自己的海水淡化膜、能量回收装置和高压泵,并占领部分市场。同时,应进一步优化设备结构,更好利用低品位热能,实行海水综合利用,进一步降低成本。在海水循环冷却方面,主要的问题是降低成本和改进结构,以及防腐剂等的研究等。海洋化工方面,还应该增加新品种的研究。
  让淡化海水更便宜
  黄晓艳:您长期从事液体分离膜工程技术研究与开发工作,是我国新萄京3522娱乐手机版技术领域的著名专家和反渗透膜工程技术领域的开拓者之一。您是怎样看待海水淡化中成本的高低及对水价的影响 ?
  高从堦:大家不能片面看待海水淡化对水价的影响。上世纪30、40年代,淡化1升海水需要耗费几十度电,到了上世纪60至80年代,淡化1吨海水就只需要几美金了。随着技术的进步和规模化的推进,淡化海水的成本正在逐步下降,如今采用薄膜法淡化海水,成本由原来2~3美金/吨,下降到0.5美金/吨,随着技术进步,还有继续下降的空间。现在国内的淡化海水每吨只要4~5元成本,纯水7~8元成本,当然,这其中没有包含运输、管道建设、土地等方面的成本核算。
  我国沿海有11个省、区和直辖市,有18000多公里的海岸线和6500多个岛屿,人口占全国40%,国内对海水淡化的市场需求比较大。大家知道,现在一般沿海城市都是用自来水当工业用水,工业用纯净水的价格每吨10元左右,假如改用淡化后的海水做工业用水既能节省更多可以利用的淡水资源,增加我国水资源总量,缓解我国水资源短缺问题,还能降低成本,这是非常好的一种选择。
  虽然海水淡化的成本普遍高于自来水,但在局部地区和领域,这个成本可以算是比较低价的。尤其对于岛屿地区来说,海水淡化的成本只有4~5元人民币/吨,如果往岛上运输淡水的话,成本将会高出4~5倍,对于居住在海岛上的居民用水来说,淡化海水反倒是一个经济省钱的办法。因此,只要做到过程优化、充分利用,海水淡化的市场还是非常庞大的。沿海城市如果选用十分之一的淡化海水来代替自来水,每吨淡水的价格适当增加几毛钱,我想老百姓也是可以接受的。
  黄晓艳:“十二五”期间,会有哪些海水淡化扶持措施出台?
  高从堦:随着淡水资源稀缺性的日益突显,国家对海水淡化产业的发展非常重视,相关部委制订了一系列有利于海水淡化产业发展的政策。“十二五”期间,国家对“海水淡化和综合利用关键技术攻关”设立了重大科技专项,鼓励具有自主常识产权的海水淡化和综合利用关键材料(膜、特种合金)和装备技术的研究开发。这些海水淡化专项项目涉及反渗透、低温多效蒸馏等海水淡化核心技术和设备,从浓海水中提取钾、镁、溴,进行海水的综合利用,基地建设和膜材料等多个方面。并提出要建立一批国家海水淡化示范工程,建立海水淡化国家级产业基地,建立海水淡化产业联盟、工程中心和实验室,推进国产海水淡化材料的生产和制造。此外,国家发改委还将出台配套的财税补贴政策,对符合政策规定的生产企业在所得税方面有望享受“三减两免”的优惠政策,鼓励和促进海水淡化产业发展。
  规模化应用和突破
  黄晓艳:我国正在大力建设海水淡化工程,中国已建成的海水淡化工程的产水能力是多少?我国海水淡化工程的大规模应用情况如何?
  高从堦:根据国家规划,到“十二五”期间我国海水淡化有望新上150万吨到200万吨。目前国家也有一个初步规划,到“十二五”末,争取海水淡化的国产化率达75%以上。国家的规划是根据市场的需求、社会发展、工业水平、用水需求来决定的。
  工业发展在耗水量上的巨大需求,直接推动了我国上马大型海水淡化项目。目前,海水淡化大多数是作为大型钢铁、化工、发电等高耗水企业的配套设施建设。我国沿海地区天津、大连、青岛、浙江、唐山都相继建设了一批海水淡化项目。我国已建成海水淡化工程70多个,它们的产水能力每天达到60多万吨。
  据我了解,国内海水淡化工程比较大的项目有:天津北疆电厂,采用以色列的技术,利用蒸馏法技术生产淡水10万吨/日。这个项目已显现出集发电、海水淡化、浓海水制盐、化工、废弃物再利用5位一体的循环经济产业优势。天津大港新泉海水淡化项目日产淡水10万吨,新加坡投资,利用反渗透法淡化海水,为中国石化集团一个百万吨大型乙烯化工项目提供淡水资源。青岛百发海水淡化厂采用世界上成熟可靠的反渗透海水淡化工艺,总投资为1.22亿欧元,建成投产后每天将有10万吨的淡化海水流入市政供水管网中,供市民使用。曹妃甸首钢京唐钢铁厂海水淡化项目采用世界一流的SIDEM企业的先进技术,主体装置为蒸发器及其附属设施,可日产淡水5万吨。曹妃甸北控阿科凌5万吨/日膜法海水淡化项目成功投产,成为目前国内最大的膜法海水淡化项目之一。
  黄晓艳:淡化海水难以进入供水管网等问题成为制约海水淡化产业发展的瓶颈,如何突破?
  高从堦:2011年分别在天津、青岛等地召开的海水淡化会议上,我分别报告了“浓海水对环境的影响及对策”和“海水作为饮用水的后处理问题”这两个大家都很关心的问题。
  推动海水淡化产业进一步发展并进入城市管网,亟待解决的问题是淡化海水作为饮用水的安全性和对市政供水管网的影响。我个人觉得,水的安全不用太担心,关键是要解决水质指标的调节平衡。现在主要的问题是热法出来的水非常纯,脱除了对人体健康有益的成分(如硬度和氟化物),这就需要适当添加少量有益健康的元素,进行化学成分的调节。而反渗透膜对硼的脱除率相对较低,产水中硼含量相对偏高,PH值偏低,硬度偏低,要稳定淡化水水质,可以通过调节PH值,提高碱度和硬度来达到。
  在进入管网前要对淡化水进行水质稳定处理,控制水的腐蚀性,这样就不会出现淡化水在管网与自来水不相匹配,腐蚀管道材料而导致供水水质污染、色度、铁含量增加的现象。只有对海水淡化水进行适当的后处理,才能有的放矢,保证与管网良好地兼容,保证居民生活用水的质量。在水安全方面,主要是制定严格的海水淡化水标准化体系、评估机制、预警机制和应急处理机制。
  海水淡化要真正进入城市供水管网,还需要解决水生产成本问题。具体来说,就是改革现行水价体制,建立合理的价格体系,通过水价调整,补贴淡化水;政府在电价上给予优惠;政府要建立一个监管机构对海水淡化进行有效监管,保证对淡化水的控制权;政府对社会投资给予税收、土地等方面的优惠政策。海水淡化要大规模的发展,光是为沿海的电厂、化工厂提供纯水是很有限的,必须有更多的民用需求,必须进入城镇的管网给城市供水。让相关企业盈利,这样才能促进海水淡化产业的发展。
  黄晓艳:最后,请讲讲您对自己所投身的海水淡化事业的未来有何期许。
  高从堦:从世界范围来看,每年都有近百亿美金的资金量想要进入海水淡化建设领域。我国海水淡化产业的发展速度很快,国内市场需求量在增加,技术也在提升,让许多国内外企业从中看到了巨大的商机。“十二五”期间国家规定要达到150~200吨/日的目标。我个人认为,这首先要看淡化海水能不能大规模地进入供水管网,这是前提,如果能进管网,肯定能超额完成任务指标;如果进不了管网,可能每天也会生产150万吨左右的淡化水。
  国外早就为未来做了许多的准备,比如,利用海水淡化来维持地下水的平衡。大家国家开始重视海水淡化并把它作为水资源是出于战略上的考虑。我想说的是,国内的民众应该提高科学素质和资源节约意识,面对一种新技术的应用和推进时,要有促进和支撑的愿望。作为海水淡化的研究机构和企业,要承担起自己的责任,应该全心全意地把海水淡化的技术、工艺、装备做得更好、更经济、理实惠,让中国人更欢迎。


高从堦:面对外企强大竞争优势国内要加快海淡膜研发

高从堦院士给本文编辑题词(吕学谦/摄)

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